【導讀】現在汽車(chē)電子產(chǎn)品的發(fā)展比以往任何時(shí)候都快，特別是在各制造商都在將功能豐富的信息娛樂(lè )系統和高級駕駛輔助系統(ADAS)導入到產(chǎn)品線(xiàn)，并同時(shí)開(kāi)發(fā)全自動(dòng)駕駛汽車(chē)的時(shí)候。先進(jìn)的半導體技術(shù)有助于這些新型汽車(chē)系統的快速開(kāi)發(fā)和部署，半導體制造商也將越來(lái)越多汽車(chē)級產(chǎn)品推向市場(chǎng)，包括更高帶寬的處理器、GPU、高速 PCI-Express 交換機和以太網(wǎng)交換機 SoC/PHY 以及 FPGA。
現在汽車(chē)電子產(chǎn)品的發(fā)展比以往任何時(shí)候都快，特別是在各制造商都在將功能豐富的信息娛樂(lè )系統和高級駕駛輔助系統(ADAS)導入到產(chǎn)品線(xiàn)，并同時(shí)開(kāi)發(fā)全自動(dòng)駕駛汽車(chē)的時(shí)候。先進(jìn)的半導體技術(shù)有助于這些新型汽車(chē)系統的快速開(kāi)發(fā)和部署，半導體制造商也將越來(lái)越多汽車(chē)級產(chǎn)品推向市場(chǎng)，包括更高帶寬的處理器、GPU、高速 PCI-Express 交換機和以太網(wǎng)交換機 SoC/PHY 以及 FPGA。采用最新一代的汽車(chē)級 IC 平臺和連接解決方案，可在系統能力、功能、性能和成本方面帶來(lái)顯著(zhù)的效益改善，但設計的復雜性也為系統設計人員帶來(lái)了新的挑戰。
這些挑戰之一就是滿(mǎn)足處理器、FPGA、交換機 SoC、以太網(wǎng) PHY、USB PHY 和 PCI-Express Gen3/4 端點(diǎn)中高速 SerDes 對高精度、低抖動(dòng)參考時(shí)鐘日益增長(cháng)的需求，進(jìn)而滿(mǎn)足汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)、信息娛樂(lè )系統、數字駕駛艙、ADAS、激光雷達和自動(dòng)駕駛控制單元的需要。在這些不斷發(fā)展的新應用中，精密參考時(shí)鐘所需的數量正在穩定增加，需要對不同時(shí)鐘同時(shí)提供單端和差分時(shí)鐘格式，以及低至 300fs 的 RMS 相位抖動(dòng)要求。
汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展
過(guò)去，汽車(chē)系統設計使用較低帶寬的處理器和微控制器，每塊電路板設計只需要一到兩個(gè)單端參考時(shí)鐘頻率。滿(mǎn)足這些時(shí)序要求很簡(jiǎn)單，因為它們只需使用一兩個(gè)石英晶體或晶體振蕩器。隨著(zhù)現代汽車(chē)電子設計所使用參考時(shí)鐘的數量增加，滿(mǎn)足時(shí)序要求最簡(jiǎn)單的方法是添加更多的石英晶體或振蕩器，然而，調整石英元件數量的方法有許多缺點(diǎn)和局限性。除了會(huì )增加電路板空間和成本外，石英晶體和振蕩器先天上容易遭受沖擊和振動(dòng)故障，有很高的時(shí)間故障(FIT)率。增加石英晶體和振蕩器的數量，會(huì )增加系統設計的故障點(diǎn)數，以及長(cháng)期可靠性風(fēng)險。
多年來(lái)，通信、運算、工業(yè)和消費類(lèi)市場(chǎng)一直使用集成式硅基時(shí)鐘發(fā)生器解決方案，而非石英晶體和振蕩器，來(lái)滿(mǎn)足對精確參考時(shí)鐘時(shí)序的要求。為確保系統正常工作并將誤碼率降至最低，高精準度、低抖動(dòng)的參考時(shí)鐘在高速設計中至關(guān)重要。隨著(zhù)處理器速度和 SerDes 帶寬水平的提高，對參考時(shí)鐘的抖動(dòng)要求也越來(lái)越難以滿(mǎn)足。最新一代汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)、ADAS 傳感器和自動(dòng)駕駛平臺目前正使用高帶寬處理器、FPGA、1G/10GbE 連接和 PCI-Express Gen3/4/5 數據總線(xiàn)，它們要求差分時(shí)鐘的相位抖動(dòng)低于 500fs RMS。時(shí)鐘發(fā)生器可以將多達八個(gè)石英晶體或振蕩器的功能集成到一個(gè) IC 中，并能在時(shí)鐘輸出上提供優(yōu)異的 RMS 相位抖動(dòng)性能(＜300fs RMS)，同時(shí)提供許多附加功能和優(yōu)點(diǎn)，而有助于系統簡(jiǎn)化參考時(shí)鐘的設計。
時(shí)鐘樹(shù)要求持續增長(cháng)
通過(guò)整理系統設計所需的參考時(shí)鐘組合，可以簡(jiǎn)化選擇和確定最佳時(shí)序解決方案。一組參考時(shí)鐘通常被稱(chēng)為“時(shí)鐘樹(shù)”。時(shí)鐘樹(shù)通常包括輸入參考時(shí)鐘、端點(diǎn)所需的輸出時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘輸出電平格式，以及每個(gè)參考時(shí)鐘的最大抖動(dòng)性能水平——其通常由每個(gè)端點(diǎn)器件制造商指定(表 1)。
表 1：時(shí)鐘樹(shù)指標。
除了新的汽車(chē)處理器、FPGA、連接和數據總線(xiàn)半導體解決方案正投入市場(chǎng)之外，經(jīng)過(guò) AEC-Q100 認證的硅基時(shí)鐘解決方案現在也可用于簡(jiǎn)化汽車(chē)應用中日益復雜的時(shí)鐘樹(shù)設計問(wèn)題。通過(guò)將參考時(shí)鐘集成到時(shí)鐘發(fā)生器 IC 中，系統設計人員可以減少故障點(diǎn)，提高系統可靠性，并在抖動(dòng)性能和頻率靈活性方面獲得顯著(zhù)優(yōu)勢(圖 1)。與傳統的石英器件相比，額外的優(yōu)點(diǎn)包括減少電路板空間面積以及降低解決方案的總成本。
圖 1：時(shí)鐘樹(shù)實(shí)現——傳統的多器件方法 vs 最新的優(yōu)化解決方案。
汽車(chē)時(shí)序解決方案的進(jìn)展
除了可在同一器件上產(chǎn)生分數和整數相關(guān)輸出頻率以外，最新一代符合 AEC-Q100 標準的時(shí)鐘發(fā)生器還配備了完整的全新功能，而能夠幫助簡(jiǎn)化汽車(chē)電子時(shí)序設計——所有這些都是傳統石英晶體或振蕩器解決方案所無(wú)法具備的。
在導入 ISO 26262 和 ASIL 的要求之下，安全性一直是所有汽車(chē)電子產(chǎn)品設計的首要任務(wù)。這些要求也會(huì )帶來(lái)新的設計挑戰。要在時(shí)序設計方面達到系統安全水平的目標，系統設計人員所使用的時(shí)鐘發(fā)生器應具備冗余的主要和備用參考輸入、健康狀態(tài)監測功能，以及可直接與系統安全管理 IC 通信的故障檢測指示器。
過(guò)去，汽車(chē)電子系統設計者一直不愿意采用時(shí)鐘發(fā)生器，因為潛在的電磁輻射問(wèn)題可能無(wú)法符合 CISPR25 Class4 或 Class5 的限制要求。擴頻已經(jīng)成為減少電磁輻射的一種通用做法，但是能夠容許參考時(shí)鐘擴頻的頻率和端點(diǎn)數量有限。最近由 Silicon Labs 完成的研究和 CISPR25 測試顯示，使用互補式 LVCMOS 輸出驅動(dòng)器生成單端時(shí)鐘，結合新的布局指南和實(shí)踐，可大幅減少時(shí)鐘的電磁波輻射，并且在 CISPR25 Class4 和 Class5 的測試上展現出優(yōu)異的效果。
最新一代符合 AEC-Q100 標準的時(shí)鐘發(fā)生器也可以實(shí)現完全編程，使系統設計人員能夠在幾分鐘之內完全根據一組特定的時(shí)鐘樹(shù)要求完全定制出一套解決方案，而無(wú)需苦等定制器件的開(kāi)發(fā)。如果在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要更改，則可以通過(guò)簡(jiǎn)易的軟件或使用 I2C 端口直接在系統內輕松地進(jìn)行更改。
為提高乘客的安全性和體驗，汽車(chē)制造商的自動(dòng)駕駛系統正迅速采用新的網(wǎng)絡(luò )、ADAS，以及利用先進(jìn)的半導體處理器、FPGA、GPU 和以太網(wǎng)交換機 SoC/PHY。這些更高帶寬新平臺的采用，增加了設計的復雜性，同時(shí)也增加了對高精度、低抖動(dòng)、單端和差分參考時(shí)鐘的需求。汽車(chē)級 AEC-Q100 時(shí)鐘發(fā)生器的推出，為系統設計人員提供集成式高性能解決方案，能夠將整個(gè)時(shí)鐘樹(shù)集成到單個(gè) IC 電路中，與傳統的石英晶體和振蕩器解決方案相比，可提高可靠性和降低系統成本。
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